回流区稳定燃烧的近熄火特性理论分析

基于火焰稳定在回流区剪切层中的假设,建立了预混火焰近贫燃熄火极限特性的理论分析模型.一旦火焰稳定在剪切层中,由于剪切层同时从两侧卷吸流体,所以进入火焰的流体将是自由流与回流区流体的混合物.如果是贫燃火焰,回流区流体由燃烧产物和多余的氧化剂组成而没有燃料,因此进入剪切层火焰的混合物当量比将低于自由流的当量比.如此一来,即使自由来流是可燃的,剪切层中混合物的当量比也可能超出可燃极限.分析表明,对于回流区稳定的贫燃火焰,进入剪切层火焰的混合物有效当量比将低于自由来流的当量比.根据理论分析建立了近贫燃熄火极限的回流区稳定燃烧模式图,其中涉及4个参数:自由来流当量比、剪切层卷吸比、吹熄极限和再点火极限.分析揭示出4种可能的燃烧模式:超稳定火焰、亚稳定火焰、振荡火焰和熄火.特别地,在参数空间发现了一个振荡区,它可能为近吹熄火焰引入一种新的固有不稳定性机制.在这种机制中,剪切层中的当量比振荡实际上是由燃烧过程本身驱动的,因为火焰的位置/振荡影响着进入回流区的流体成分进而影响剪切层中的当量比.因此,当量比振荡与燃烧过程之间的反馈循环由于周期性的火焰吹熄和闪回/再稳定而得以封闭.

镍基高温合金的热机械疲劳寿命预测模型研究

针对发动机热端部件常用材料镍基高温合金GH4169进行了200~450℃及400~650℃条件下的同相位热机械疲劳(TMF)试验,考虑TMF条件下多晶材料在弹性阶段产生的微观损伤应变能,提出一种适用于多晶材料的TMF寿命预测模型,并结合试验数据确定模型参数;采用GH4169、IN718、DD8三种高温合金对该模型的TMF寿命预测能力进行评估,结果表明,提出的寿命模型预测精度高于TMF寿命预测常用的Manson-Coffin模型和Ostergren模型。

纤维金属板蜂窝夹芯结构鸟体高速冲击损伤分析

纤维金属板蜂窝夹芯结构作为一种轻质航空结构,研究其抗鸟体高速冲击性能具有重要的现实意义。本文提出一种基于连续介质损伤力学的有限元模型,研究鸟体高速冲击下纤维金属板蜂窝夹芯结构的力学行为及损伤机理。采用光滑粒子流体动力学(Smooth particle hydrodynamics, SPH)法对鸟体类流体力学行为进行建模;采用Johnson-Cook模型模拟金属层冲击力学响应;采用三维Hashin准则,考虑应变率效应,模拟复合材料层板面内损伤演化;采用界面单元模拟层间分层现象。编写用户材料VUMAT子程序,实现基于ABAQUS/Explicit软件平台的数值求解。探讨鸟体速度、蜂窝高度和面板厚度对纤维金属板蜂窝夹芯结构鸟体冲击性能的影响,分析预应力条件下纤维金属板蜂窝夹芯结构鸟体高速冲击损伤特性,为夹芯结构鸟体冲击问题数值分析提供一定的参考。

基于冗余执行器的航空发动机推力快速响应控制方法研究

面向飞/推一体化控制需求,开展涡扇发动机推力快速响应控制研究,提出了适用于推力最小相位系统的冗余控制方案。研究内容包括:(1)借鉴阀位控制思想,提出在传统燃油流量(Wf)回路基础上增设尾喷口喉道面积(A8)回路,通过挖掘冗余执行器变化速率潜力,提高推力响应速度,降低了对于燃油泵快速作动的需求,同时该方法可以使喷口在推力响应过程逐渐回中,系统具备持续的推力快速调节能力;(2)分析了A8调节推力的物理机理,指出容腔压力动力学主导的部件间流量匹配过程使得A8对推力具有直馈作用,是提高推力响应速度的有效途径。基于发动机部件级模型的评估结果表明,本文提出的方法在执行机构存在速率限制的情况下,实现了推力10 rad/s闭环带宽和A8回中的设计目标,方法可行、有效。在推力响应过程中,A8直馈作用对推力变化的贡献度最高时超过50%。随着对于推力控制模式和推力响应速度的日趋关注,应对容腔内的压力动态过程给予充分的重视。

倾斜椭球凹陷阵列湍流强化传热实验与数值分析

为了提高涡轮叶片内部通道对流传热性能,本文基于瞬态液晶热像技术分别针对矩形通道表面排布的球形凹陷和斜椭球凹陷阵列的传热和压力损失特性进行了实验研究。在雷诺数为1×10^(4)~6×10^(4)内,与基准球形凹陷相比,平行排布和V形排布的斜椭球凹陷总体传热分别增强了23.8%~33.8%和104%~121%,V形排布的斜椭球凹陷综合传热性能显著提高了25%~68.3%。通过数值模拟发现,平行排布的斜椭球凹陷虽然可以诱发更强烈的二次流,但是平行的排布方式使下游凹陷受到来自上游凹陷升温后的流体冲刷,因此限制了传热的进一步增强。V形排布的斜椭球凹陷通过诱发大尺度的纵向涡对将来自主流的冷流体输运至壁面,冷流体直接冲击壁面并与近壁流体剪切,极大地增强了对流传热。

某型航空发动机振动值波动故障诊断和排除

针对某型航空发动机试车过程中的稳态振动波动问题,开展了时域和频域分析,指出振动波动是由于低压2倍频和高压基频振动拍振所引起。推导了航空发动机拍振引起的振动响应,建立了某型航空发动机双转子动力学模型,并进行了仿真分析。仿真结果表明,当发动机两个激振力频率相近时,会产生拍振引起振动波动,仿真结果与试验结果相吻合。结合发动机结构和其工作特点,分析了发动机形成低压倍频-高压基频耦合拍振的条件,给出了拍振排除方法,并通过试验验证了方法的正确性。工程上可以通过调整高压和低压转子转差关系,将转速比调整到合理范围内即可消除拍振。

压力敏感涂料测量技术在掠型叶栅表面测压中的应用

为了获得某掠型叶片吸力面压力分布,对一稠度为1.53,掠角为10.7°的掠叶栅进行了光路布局以及压力敏感涂料(PSP)压力测量,利用图像处理和三维重构算法得到了可读性高、便于数据提取的三维叶片吸力面压力分布,并和测压孔测量结果进行了对比。结果表明:利用自主发展的光路布局方法,有效解决了叶片表面光照辐照度不均匀、拍摄视角受限的问题;得到了高信噪比的原始压敏图像以及宽范围多工况的掠叶栅吸力面全域压力分布。与测压孔测量相比,PSP测量误差在5%以内,并且PSP测量结果还捕捉到了峰值等熵马赫数位置沿弦向的迁移以及叶片尾缘的气流分离现象。对不同攻角和来流马赫数下的掠型叶片吸力面压力分布进行分析:掠型叶片在零攻角和正攻角下存在明显的径向压力梯度,促使后掠型叶片气流向前掠迁移,增加了前掠下流低能流体的能量,使得前掠更有利于延迟角区分离,后掠则更容易发生角区分离;掠型叶片在低来流马赫数下展向压力对称性良好,掠设计的影响不显著,高来流马赫数则放大了前后掠对角区分离控制效果的不同。相比传统测压孔有限的压力分辨率,PSP测量可为掠型叶片设计和流动机理分析提供丰富可靠的压力实验数据。

考虑叶片造型的压气机流动稳定性模型研究进展

压气机实际稳定裕度是否达到指标直接决定了发动机是否可以投入使用.目前的压气机气动设计体系中缺乏一种高效、准确的评估失稳边界的工具,导致在设计定型后依然存在实际稳定裕度不足的风险.因此迫切需要发展快速可靠的压气机稳定性预测工具以供设计阶段使用.现代航空压气机叶片的气动设计朝着三维精细化方向发展,如何在设计阶段考虑叶片三维造型的变化对稳定性的影响愈发关键.传统的激盘/半激盘模型难以精细捕捉到三维叶片造型对流动稳定性的影响,而非定常数值模拟方法对计算资源的消耗在压气机设计阶段难以承受.为了在精细考虑叶片造型影响的同时提高计算效率,为气动设计阶段提供稳定性评估工具,本团队首先在2013年提出了叶轮机流动稳定性通用理论,通过分布式叶片力源项建模考虑复杂叶片造型的影响,通过系统特征值描述流动稳定性.继而针对不同的预测目标和应用条件,发展了3种简化模型:子午面模型、流线模型和径向展开模型.其中子午面模型能够准确刻画叶尖间隙、叶片掠和叶片加载方式等关键设计参数对流动稳定性的影响,为设计阶段提供了一种可靠的失稳边界预测工具;流线模型可以快速评估展向各条流线系统的流动稳定性,并定量地给出流动稳定性最为薄弱的区域,从而有针对性地指导叶片扩稳设计;径向展开模型可以快速地预测离心压气机的流动失稳点,定量评估离心压气机流动稳定性.以上模型可以应用于压气机气动设计体系,为设计定型的压气机提供了可靠的稳定性评估方法,为压气机气动/稳定性一体化设计提供了技术储备.

单相发汗冷却对脉冲爆震燃烧传播的影响

作为一种先进推进系统,脉冲爆震发动机热端部件的热载荷随着工作频率和飞行马赫数的提高而大幅增加。发汗冷却具有很高的冷却效率和更低的冷却剂消耗,使其成为脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却的理想方案。开展发汗冷却与爆震燃烧耦合研究,是爆震发动机发汗冷却设计的理论基础。为了探索发汗冷却的固体和流体结构对爆震燃烧的影响规律,本文采用实验方法,研究了不同多孔介质结构和单相发汗冷却对充分发展爆震燃烧传播过程的影响。结果表明,爆震波在多孔介质壁面上传播时发生减速,但不会引起爆震波解耦。单相发汗冷却引发爆震燃烧失效的主要原因是冷却剂的稀释作用使得局部当量比低于燃料的可爆极限。当冷却剂注入率超过12.5%时,爆震燃烧解耦。

吸气预冷发动机预冷换热芯体仿生结构设计发展趋势与展望

现有超高声速飞行器预冷组合循环发动机空气预冷器内部一般由多组微细管束组成,工作过程中存在流致振动大、加工要求高等问题,因此,有必要对预冷器换热芯体进行改型设计,并对其开展进一步的流动换热研究。本文首先分析了基于仿生分形的预冷器换热芯体改型需求;然后梳理了仿蜂巢分形、树状分形与生物表面混合结构在新型预冷芯体强化换热上的应用,以及仿生物体凹凸表面结构、疏水结构在降低预冷芯体内通道表面流阻、抑制结霜上的应用,给出了3种可适用于空天领域的“筒状”仿生预冷换热芯体设计案例;最后总结并展望了仿生微通道换热结构与预冷器换热芯体设计结合的发展前景。

基于ALIF-GAF-AlexNet的微电机故障分类

微电机是一种重要的动力驱动元件,其诊断过程并不复杂,但人工听音比较低效且诊断结果片面,投入大量的人工对其进行分类是不合理的。为了提高微电机的诊断效率和实用性,提出一种诊断方法。使用自适应局部迭代滤波方法来降低噪声,然后用格拉姆角场将特征提取后的声音信号转换为图像,将转换后的图像应用深度卷积神经网络模型进行分类研究。基于微电机声音信号实验采集装置,对采集的数据应用所提出的方法进行故障诊断分类,并与其他方法进行比较。结果表明,该方法比其他方法具有更高的分类精度,准确率达到94.1%。

压气机内部旋转不稳定的研究综述

旋转不稳定是压气机工作在高负荷近失速工况时的一种常见现象。研究旋转不稳定在降低压气机工作噪声、减小流致振动以及保障航空发动机稳定工作等方面具有重要意义。首先对旋转不稳定现象进行了回顾,详细讨论了旋转不稳定的特征。其次,重点调研了旋转不稳定的起源和机理,将旋转不稳定产生的原因归纳为叶尖泄漏流、涡脱落以及流动剪切等类别。此外,回顾了模拟旋转不稳定的数值方法,讨论了多种流动控制手段对旋转不稳定的作用效果。最后,对旋转不稳定的研究现状进行了总结,对未来的研究趋势进行了展望。

航空发动机振动环境谱统计归纳方法及振动试验台复现

为满足航空发动机及机载产品研制过程贴近使用环境的振动考核试验需求,需根据发动机实测振动数据给出振动考核试验所需的输入谱图。依据GJB/Z 126-99中给出的环境测量数据归纳方法,建立了发动机实测振动环境谱统计归纳方法并通过程序实现。利用发动机多架次实测试飞振动数据统计归纳得到发动机测点位置的振动实测谱。基于能量等效及信号频域特征分布一致原则,将归纳得到的实测谱转化为可用于振动台输入的振动环境谱,并在振动台上进行了振动信号的复现试验。结果表明:振动台输出信号与发动机实测振动信号频域分布特征一致,在统计频率带宽范围内振动总量最大相差5.7%,证明了转化方法是合理的,为航空发动机机载设备贴近使用环境的振动考核试验方法提供了真实的输入谱图。

航空发动机终端威胁作用机理和威胁模式分析

战机及其配装的发动机在战场执行任务时,不可避免地会遭遇敌方防空武器的威胁,终端威胁对施加损伤起关键作用。针对发动机(飞机)在战场执行攻击任务时可能遭遇的不同类型威胁,重点对终端威胁作用机理和威胁模式开展分析。从终端威胁产物杀伤机理(威胁机理)出发,描述了穿透物、破片、燃烧物质、爆炸冲击波、高能激光和生化制剂等常见终端威胁产物的输出特性。在此基础上,对航空发动机典型7大部件遭受的威胁模式开展分析,给出了相关威胁模式可能给各大部件带来的损伤模式。上述威胁分析结果可供发动机及部件易损性分析时借鉴,也可供发动机生存力或易损性设计参考。

一体化红外抑制器排气出流对其气动和红外辐射特性的影响

经地面模型实验验证,数值仿真展示了一体化红外抑制器排气出流、模拟旋翼下洗气流和模拟前飞来流相互作用下的流动和换热特征,通过改变排气出流角度和模拟前飞来流速度,计算分析一体化红外抑制器引射、混合特性以及红外辐射强度空间分布的变化规律。仿真结果表明:模拟的前飞来流与排气出流相互作用后会造成局部排气不畅,前飞来流甚至倒灌入红外抑制器内,从而引起抑制器壁面局部高温,增加了抑制器整体红外辐射强度;改变排气角度可将之改善,且存在气动和红外辐射特性兼顾的最佳角度。前飞来流速度从15 m/s提高到55 m/s,抑制器内部高温壁面温度降低,抑制器红外辐射强度峰值在3~5μm波段降低约50%,在8~14μm波段降低约20%。红外抑制器的下洗气流进口加装弯曲导流片可以对内部混合管高温壁面进行遮挡,有效降低顶部视角的红外辐射强度。最佳排气角度下,利用排气下游隔板的遮挡,正对抑制器排气出口方向(底部视角)上的3~5μm和8~14μm波段红外辐射峰值分别降低约50%和33%。

基于流固耦合的压气机转子叶片非同步振动分析

压气机转子叶片非同步振动是近年来发现的一类新气动弹性问题,表现为叶片振动频率与转频不同步且具有锁频现象,严重影响航空发动机的可靠性和运行安全,目前对其产生机理并不完全清楚.为了深入研究压气机内不稳定流动与叶片非同步振动之间的耦合机制,基于时间推进的方法建立了多级压气机转子叶片全环的双向流固耦合模型,数值研究了刚性叶片与非同步振动柔性叶片的非定常流场、气流激励频率和结构响应特征,揭示了压气机转子叶片非同步振动的流固耦合机制.结果表明:近失速工况下,转子叶尖吸力面径向分离涡的周期性脱落及再附过程是导致叶尖压力剧烈波动的主要原因,其3倍谐波激励频率与转子一阶弯曲固有频率接近,提供了叶片非同步振动的初始气流激励源.叶片非同步振动发生时,位移响应表现为等幅值的极限环特征,振动以一阶弯曲模态主导,径向分离涡产生的非整数倍气流激励频率及其谐波频率最终锁定为叶片一阶弯曲固有频率,非同步振动的运动胁迫使得相邻通道叶尖流场周向趋于一致.研究成果及对叶片非同步振动流固耦合机制的认识可为压气机内部不稳定流动诱发的叶片振动失效分析提供有益参考.

附面层吸入条件下非轴对称静子对风扇流场影响数值研究

附面层吸入导致进气道与风扇气动交界面处产生严重的总压、旋流畸变,进而使得风扇效率、稳定性降低,是制约其应用的主要问题之一。为了提高风扇的抗畸变能力,本文对风扇静子进行了非轴对称设计和数值仿真计算。结果表明:相较于原型风扇,非轴对称静子效率提高0.31个百分点,失速裕度提高50.5%,风扇内部流场有明显改善,扩压因子减小,畸变区静叶叶尖吸力面角区分离范围显著降低,叶片通道通流能力上升。非轴对称静子改型方案通过改变畸变区静叶进口几何角与弦长,使静叶冲角基本不变,稠度增加,气流在吸力面上不易发生分离,从而使得角区分离范围减小,流动损失降低,风扇性能提升。

冲压发动机燃烧室超声速来流横向喷雾轨迹预测模型及动态特性分析研究

为探究超声速来流下圆柱横向射流轨迹及喷雾动态特性,在宽来流马赫数(Ma=1.50,2.02,3.09)条件下开展了不同喷嘴直径与喷注压力的煤油喷雾试验,通过纹影系统捕捉射流图像并进行外边界拟合与频谱分析。建立了考虑射流前激波效应的穿透深度预测模型,最大与平均相对误差较先前的预测模型分别下降约36%和19.1%。通过快速傅里叶变换分析,发现喷雾所受扰动以低频波为主,同时伴有时间特征较为复杂的波动。本征正交分解分析结果证明,喷雾表面同时存在高低频扰动,但低频波占据主导地位,高频波能量较低可被忽略,对应了快速傅里叶变换分析结果;低频波频率与来流有效韦伯数有关,有效韦伯数增大会使波长减小,当喷雾前端的来流速度差别较小时,频率就会增大。

超燃冲压发动机燃烧室流场超分辨率重建

超声速燃烧室受限空间内复杂流场波系结构的获取受到光学测量装置精度的制约。为提升流场时空分辨率特征,本文应用中国空气动力研究与发展中心地面脉冲燃烧风洞获取的试验数据,在发动机入口马赫数2.5的条件下,构建了6种不同当量比下基于压力数据重构的燃烧室流场低分辨率图像数据集,研究了三种提高图像分辨率的方法来提升超燃冲压发动机燃烧室流场重构图像的分辨率。结果表明,本文所提出的流场超分辨率稠密网络(Flow-field Super-Resolution Dense Network,FSRDN)、流场超分辨率生成对抗网络(Flow-field Super-Resolution Generative Adversarial Network,FSRGAN)、传统的双三次插值法(Bicubic interpolation,Bicubic)对流场图像分辨率都提高了4^(2)倍。FSRDN网络所得流场图像结果的峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio,PSNR)、相关性系数(Correlation coefficient,CORR)、感知指数(Perceptual Index,PI)指标均优于双三次插值法,但实际图像存在过于平滑的现象。FSRGAN网络所得流场结果消除了图像平滑现象,使流场图像的细节更加丰富,大幅度优化了PI指标,对燃烧室内的剪切层、斜激波、分离激波等主要波系结构的清晰度有了极大的增强作用。

面向内流的激波/边界层湍流模型数据同化及应用

为研究压缩拐角激波/边界层干扰问题和机器学习方法在湍流模型参数辨识中的有效性,提出一种面向内流的激波/边界层湍流模型数据同化方法,以Kriging代理模型传播参数不确定量化过程,基于贝叶斯框架构建似然函数作为评判标准,最后利用粒子群优化算法近似获取参数的最大似然估计并进行参数验证。结果表明,通过校准大角度(24°)压缩拐角获取的湍流模型参数,可以应用到相同条件下相对较小的小角度(20°,16°和8°)压缩拐角,获取的壁面压力、摩阻系数和速度剖面均与试验值基本吻合。在Ma=2.85下校准的壁面压力,均方根误差由60.29%下降到16.56%。将大角度下获取的参数应用到Ma=2.9和不同的入射边界层厚度的条件下,获取的壁面压力和速度剖面仍与试验值基本吻合,验证了小范围马赫数内湍流模型参数的适用性。